姚 飛，陳復(fù)生

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

相較于傳統(tǒng)紡絲方法，靜電紡絲技術(shù)能夠制備出連續(xù)的直徑為微米級(jí)甚至納米級(jí)的纖維，近年來(lái)日益受到關(guān)注。靜電紡絲主要原理是通過(guò)施加電壓的噴嘴使聚合物溶液表面帶有分布均勻的電荷[1]，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足以克服聚合物溶液的表面張力時(shí)，就會(huì)形成射流向反電極方向移動(dòng)。在液體射流運(yùn)動(dòng)期間，溶劑蒸發(fā)，有固體纖維以無(wú)規(guī)則取向的非織造墊的形式沉淀在電極上[2-4]。靜電紡絲技術(shù)最主要的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、成本低廉，同時(shí)還可以控制纖維直徑、表面積、高寬比等，此外，在紡絲液里加入各類功能活性物質(zhì)，可以在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用[5]。傳統(tǒng)上通常利用合成聚合物進(jìn)行紡絲，隨著環(huán)境與資源的壓力日益加大，越來(lái)越多的研究集中于天然聚合物的紡絲。由于天然聚合物具有可再生和可持續(xù)的特性，從這些來(lái)源獲得的纖維同時(shí)具有生物相容性和生物降解性，這使得諸如多糖和蛋白質(zhì)之類的天然聚合物成為靜電紡絲的理想材料[6]。在食品工業(yè)中，天然聚合物纖維不僅可作為活性包裝材料，實(shí)現(xiàn)抗菌、抗氧化等功能，還可以作為保健品或藥物的包衣材料，應(yīng)用于胃腸道的控制釋放[7]。

以蛋白質(zhì)[8]和多糖[9]等天然聚合物作為原料，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維不僅具有納米纖維的各種性能優(yōu)勢(shì)，還有良好的安全性和降解性?；ㄉ蛛x蛋白是重要的天然蛋白，來(lái)源十分豐富，且可加工性、生物降解性以及生物相容性等性能都非常好，可以用作靜電紡絲的蛋白原料。靜電紡絲技術(shù)在玉米醇溶蛋白[10]、大豆蛋白[11]、膠原蛋白[12]、乳清蛋白[13-14]等中的應(yīng)用研究較多，然而關(guān)于花生分離蛋白(PPI)的靜電紡絲納米纖維的研究尚少。由于蛋白質(zhì)復(fù)雜的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)，直接用蛋白進(jìn)行靜電紡絲比較困難[15]，而且所得納米纖維的機(jī)械強(qiáng)度比較差，難以實(shí)際應(yīng)用，常將蛋白質(zhì)與一些有機(jī)聚合物混合進(jìn)行靜電紡絲。因此，本研究旨在以花生分離蛋白為原料，采用靜電紡絲方法制備納米纖維，為其在食品包裝、空氣過(guò)濾、創(chuàng)傷敷料、組織工程等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

花生：正陽(yáng)縣三農(nóng)種業(yè)有限公司；聚乳酸：醫(yī)療級(jí)，Mw=100 000，濟(jì)南岱罡生物科技有限公司；石油醚：分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；六氟異丙醇(HFIP):上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平(BS210S)：德國(guó)Sartorius公司；全自動(dòng)液壓榨油機(jī)(6YZ-180):鞏義市天元機(jī)械有限公司；恒溫?cái)?shù)顯磁力攪拌水浴鍋(FJS-6):常州市頂新實(shí)驗(yàn)儀器公司；冷凍干燥機(jī)(LGJ-25C):四環(huán)福瑞科儀科技發(fā)展(北京)有限公司；表面張力計(jì)(DCAT21):德國(guó)Dataphysics公司；數(shù)顯電導(dǎo)率儀(DSS-11 A):上海晶磁儀器有限公司；哈克流變儀(DHR-1):美國(guó)TA儀器公司；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-7800F):日本JSM公司；靜電紡絲機(jī)(DF02):佛山輕子精密測(cè)控技術(shù)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 花生分離蛋白的提取

利用液壓榨油機(jī)將花生在室溫、55 MPa的壓力下壓榨65 min，獲得冷榨花生餅；花生餅粉碎后經(jīng)石油醚脫除殘余油脂，過(guò)80目篩得脫脂花生粉(DPF)。參考矯麗媛等[16]的方法并稍做調(diào)整。將DPF與蒸餾水以1∶10(g/mL)的料液比均勻混合，用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至9.0，在50 ℃下攪拌100 min后，于4 000g轉(zhuǎn)速下離心20 min，取上清液，再利用1 mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)上清液pH至花生蛋白等電點(diǎn)，攪拌30 min，于4 000g轉(zhuǎn)速下離心20 min，下層沉淀水洗至中性，冷凍干燥后得PPI。

1.3.2 紡絲共混溶液的制備

用天平稱取適量的花生分離蛋白(PPI)和聚乳酸(PLLA)，按照質(zhì)量比1∶1混合，以六氟異丙醇為溶劑，配制質(zhì)量濃度為0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 g/mL的紡絲溶液，45 ℃下水浴，攪拌12 h，得到PPI-PLLA共混溶液。

1.3.3 電導(dǎo)率和表面張力測(cè)定

在室溫下，采用數(shù)顯電導(dǎo)率儀(電極常數(shù)1.0)，用蒸餾水先將電導(dǎo)率儀進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將電極插入待測(cè)溶液，待穩(wěn)定后讀取數(shù)值即為溶液電導(dǎo)率。采用Wilhelmy平板法，用表面張力計(jì)測(cè)定溶液表面張力。

1.3.4 黏度的測(cè)定

采用哈克流變儀測(cè)定在25 ℃下黏度隨剪切速率的變化。選擇平行板間距0.2 mm,直徑為25 mm的平行板測(cè)試系統(tǒng)，剪切速率為0.1～1 000 s-1。

1.3.5 靜電紡絲

將配制好的PPI-PLLA共混溶液倒入10 mL注射器中，之后在注射泵上安裝好注射器，進(jìn)行高壓電源和針頭的連接，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整接收滾筒與針頭間距。相關(guān)的測(cè)試參數(shù)包括: 紡絲速度0.6 mL/h，電壓16 kV，針尖與接收滾筒間距12 cm，環(huán)境的濕度45%～50%，紡絲溫度25 ℃。最后將收集到的纖維膜置于常溫干燥箱中干燥備用。

1.3.6 納米纖維膜的形貌表征

通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察不同質(zhì)量濃度的PPI-PLLA 納米纖維膜的表面形貌特征。每幅圖像的最大施加電壓為5 kV，放大倍數(shù)3 000。選用Image Plus Pro 6作為SEM圖像的分析軟件。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果采用3次平行試驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。同時(shí)使用SPSS 20數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P≤0.05表示差異顯著，用Origin 8.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度對(duì)電導(dǎo)率、表面張力的影響

在靜電紡絲條件一定的情況下，根據(jù)表1可知，隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度的升高，表面張力在16.81～18.31 mN/m之間，無(wú)明顯變化，這是因?yàn)槿芤罕砻鎻埩χ慌c溶劑組成有關(guān)[17-20]。隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度升高，溶液電導(dǎo)率降低。這主要是由于蛋白質(zhì)中氨基酸上的氨基帶有正電，在提高溶液的質(zhì)量濃度后會(huì)降低蛋白質(zhì)展開程度。此外，聚乳酸質(zhì)量濃度增加，聚乳酸與蛋白之間的相互作用導(dǎo)致蛋白本身的聚電解質(zhì)特性降低。研究表明，提高聚乳酸的質(zhì)量濃度會(huì)增加溶液黏度，電導(dǎo)率減小，溶液具有更好的可紡性，從而獲得缺陷少甚至無(wú)缺陷的纖維產(chǎn)物[21-23]。

表1 PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度對(duì)電導(dǎo)率、表面張力的影響

2.2 PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度對(duì)黏度的影響

圖1是質(zhì)量濃度為0.06～0.14 g/mL的PPI-PLLA共混溶液的黏度隨剪切速率的變化。根據(jù)圖1可知，隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度的增加，溶液的表觀黏度增高，當(dāng)質(zhì)量濃度為0.06 g/mL時(shí)，溶液的表觀黏度最??；質(zhì)量濃度為0.14 g/mL時(shí)，溶液表觀黏度最大。PPI-PLLA共混溶液的黏度隨著剪切速率的增大明顯下降，可以觀察到溶液出現(xiàn)明顯的剪切變稀現(xiàn)象，呈現(xiàn)較為典型的非牛頓流體特征。這主要是因?yàn)镻LLA大分子中存在著比較多的纏結(jié)點(diǎn)，當(dāng)提高剪切速率之后，對(duì)于分子間的纏結(jié)點(diǎn)而言，其破壞速率將會(huì)超過(guò)它的重建速率，從而降低了剪切黏度。

圖1 不同質(zhì)量濃度的PPI-PLLA共混溶液黏度-剪切速率對(duì)數(shù)曲線

2.3 PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度對(duì)靜電紡絲納米纖維形貌結(jié)構(gòu)的影響

由圖2可知，PPI-PLLA共混溶液除了質(zhì)量濃度為0.06、0.08 g/mL時(shí)，纖維牽伸不完全，成纖維能力差，存在串珠、纖維間發(fā)生粘連，其他質(zhì)量濃度的成纖性能較好,纖維具有較為光滑的外表面，不存在串珠，具有較好的牽伸效果。5種不同質(zhì)量濃度PPI-PLLA共混溶液制得的納米纖維的平均直徑和變異系數(shù)如表2所示。

從表2可以看出，隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度的增加，納米纖維的平均直徑逐漸增加。共混溶液除了質(zhì)量濃度為0.06、0.08 g/mL時(shí)，所制備的納米纖維會(huì)發(fā)生明顯的粘連現(xiàn)象，分布均勻性較低，而用其他質(zhì)量濃度的共混溶液來(lái)進(jìn)行靜電紡絲，獲得的纖維具有較為均勻的直徑。對(duì)于靜電紡絲技術(shù)而言，共混溶液質(zhì)量濃度是非常重要的一個(gè)影響因素。共混溶液的質(zhì)量濃度越大，其表觀黏度將會(huì)越高(如圖1所示)，所得納米纖維的直徑及形貌都會(huì)受到溶液黏度的顯著影響。共混溶液質(zhì)量濃度不超過(guò)其臨界值，則其中的分子鏈將無(wú)法發(fā)生有效纏結(jié)[24]，導(dǎo)致溶液紡絲困難；當(dāng)超過(guò)該臨界纏結(jié)質(zhì)量濃度之后，分子鏈間才能夠緊密地纏結(jié)，通過(guò)靜電作用得到泰勒錐，最終制得連續(xù)性較高的纖維[25]。隨著共混溶液質(zhì)量濃度的提高，其中的高分子鏈將會(huì)發(fā)生顯著的纏結(jié)，相應(yīng)地提升了溶液黏度，同時(shí)減少了串珠結(jié)構(gòu)，在不同的纖維間沒(méi)有粘連現(xiàn)象發(fā)生，相同流量下溶液的溶質(zhì)也變多，納米纖維平均直徑逐漸增大。另外，隨著共混溶液質(zhì)量濃度的增加，溶劑含量減少，在紡絲過(guò)程中噴射流的揮發(fā)量減小，這也是纖維直徑較大的原因[26]。當(dāng)PPI-PLLA共混溶液的質(zhì)量濃度在0.10～0.14 g/mL之間，可紡性較好。而在較低質(zhì)量濃度下纖維直徑較小，然而，當(dāng)共混溶液質(zhì)量濃度進(jìn)一步降低時(shí)，微球開始出現(xiàn)在紡絲膜中，直到它們成為微球?yàn)橹筟27]。

圖2 不同質(zhì)量濃度PPI-PLLA共混溶液靜電紡絲納米纖維SEM圖

表2 不同質(zhì)量濃度PPI-PLLA共混溶液制備的納米纖維平均直徑及變異系數(shù)

3 結(jié)論

通過(guò)靜電紡絲技術(shù)成功地制備了PPI-PLLA納米纖維，分析了共混溶液的表觀黏度、電導(dǎo)率以及表面張力等溶液性質(zhì)以及纖維微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，溶液黏度增加和電導(dǎo)率降低，有助于形成形貌良好且直徑均勻的納米纖維。共混溶液質(zhì)量濃度在纖維形成條件中起關(guān)鍵作用。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度小于0.10 g/mL時(shí)，溶液可紡性較差。大于0.10 g/mL時(shí)，纖維直徑會(huì)隨著PPI-PLLA共混溶液質(zhì)量濃度的增加而增大，從而確定最佳紡絲溶液的質(zhì)量濃度為0.10 g/mL。用此質(zhì)量濃度制備的納米纖維具有光滑的表面和分布均勻的直徑，有利于提高整個(gè)納米纖維的比表面積、孔隙率。本研究為納米纖維在食品包裝、空氣過(guò)濾、創(chuàng)傷敷料、組織工程等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值和前景奠定了理論基礎(chǔ)。